普傳科技 PI500 系列矢量變頻器在玻璃鋼化爐冷卻風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

1、引言 

鋼化玻璃已成為人類生活中不可缺少的重要材料。鋼化玻璃是采用物理處理方法使玻璃表面產(chǎn)生永久壓應(yīng)力層，從而抵消使玻璃受損的拉應(yīng)力的一種二次加工制品。鋼化爐是鋼化玻璃的加工設(shè)備，其生產(chǎn)過程主要是將玻璃送入加熱爐內(nèi)加熱，達(dá)到一定溫度后，快速均勻淬冷的過程。 

 變頻器在鋼化爐的控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，變頻器的正確選用對(duì)于鋼化爐電控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵性的作用，具有轉(zhuǎn)速追蹤再啟動(dòng)功能的變頻器具有更好的節(jié)能效果。 

2、玻璃鋼化的工藝原理 

將經(jīng)過切、磨、洗后的普通優(yōu)質(zhì)平板玻璃送入鋼化爐，通過加熱（680℃~715℃）和淬冷，使玻璃內(nèi)產(chǎn)生很大的永久應(yīng)力―表面為壓應(yīng)力，內(nèi)部為張應(yīng)力，即玻璃產(chǎn)生了一種均勻而有規(guī)律分布的內(nèi)應(yīng)力，從而提高了玻璃的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。鋼化設(shè)備已經(jīng)形成平鋼化機(jī)組、彎鋼化機(jī)組、平彎結(jié)合鋼化機(jī)組 三大系列。 

 其生產(chǎn)工藝流程是：

玻璃原片→檢驗(yàn)→切裁→掰邊→洗滌→干燥→鋼化→檢驗(yàn)→包裝→入庫(kù) 

3、水平軌道鋼化爐電氣電氣控制系統(tǒng) 

水平軌道式鋼化爐的電氣系統(tǒng)主要由裝片臺(tái)傳動(dòng)電機(jī)、加熱區(qū)傳動(dòng)電機(jī)、冷卻區(qū)傳動(dòng)電機(jī)、卸片臺(tái)傳動(dòng)電機(jī)、加熱冷卻風(fēng)機(jī)電機(jī)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)（HMI）、PLC、變頻器和各種現(xiàn)場(chǎng)儀表傳感器組成。全自動(dòng)水平軌道式鋼化爐具有手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)多種控制方式。鋼化爐的各個(gè)單元的啟動(dòng)、停止、參數(shù)設(shè)定全部通過 HMI 完成，同時(shí) HMI 監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，變頻器在整個(gè)控制系統(tǒng)中作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)元件具有及其重要的作用。 

玻璃加熱后的冷卻分急冷和緩冷兩個(gè)階段。對(duì)玻璃急冷的基本要求是快速而均勻地冷卻，使玻璃外層呈壓力狀態(tài)而內(nèi)層呈張力狀態(tài)。冷卻速度愈快，溫度梯度愈大，產(chǎn)生的永久應(yīng)力，即鋼化應(yīng)力愈大，此時(shí)工藝要求風(fēng)量和風(fēng)壓必須在短時(shí)間內(nèi)迅速建立，充分冷卻達(dá)到鋼化效果。風(fēng)機(jī)加速時(shí)間過短，變頻器很容易報(bào)過流故障；風(fēng)機(jī)加速時(shí)間慢很容易造成鋼化效果不佳，調(diào)試過程中必須注意變頻器參數(shù)的優(yōu)化。所謂緩冷就是在玻璃完成淬冷―產(chǎn)生永久應(yīng)力后，為節(jié)省能耗可降低冷卻強(qiáng)度，使玻璃緩慢冷卻至 40℃~50℃，即可進(jìn)行人工卸片。 

4、變頻器對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)的控制方案 

在整個(gè)鋼化過程中，變頻器主要是對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。玻璃加熱后的冷卻分淬冷和緩冷兩個(gè)階段，對(duì)玻璃淬冷的基本要求是快速而均勻地冷卻，使玻璃外層呈壓力狀態(tài)而內(nèi)層呈張力狀態(tài)。冷卻速度愈快，溫度梯度愈大，產(chǎn)生的永久應(yīng)力，即鋼化應(yīng)力愈大，此時(shí)工藝要求風(fēng)量和風(fēng)壓必須在短時(shí)間內(nèi)迅速建立，充分冷卻達(dá)到鋼化效果。 

(1) 淬冷電機(jī)要求加減速時(shí)間盡可能快，控制在 150s 以內(nèi)，對(duì)于變頻器過流抑制、過壓抑制能力有一定要求； 

(2) 持續(xù)過載能力，淬冷風(fēng)機(jī)頻率到達(dá)最大值時(shí)，會(huì)有持續(xù) 20s 左右的大電流，接近 150%額定電流水平，要求變頻器不能頻繁報(bào)警； 

(3) 有些場(chǎng)合，停機(jī)方式采用自由停機(jī)，當(dāng)二次啟動(dòng)時(shí)，可能前次風(fēng)機(jī)還未完全靜止下來，需要變頻器具備轉(zhuǎn)速追蹤再啟動(dòng)功能； 

(4) 風(fēng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)受前端上位機(jī)控制系統(tǒng)來控制，需要變頻器具備 RS485 通訊功能。 

常規(guī)控制方案有二段速度控制和轉(zhuǎn)速追蹤方案。

4.1 二段速度控制 

變頻器在 PLC 的控制下，根據(jù)需要進(jìn)行頻率變換，使風(fēng)機(jī)在最佳的節(jié)能狀態(tài)下運(yùn)行。 

（1）風(fēng)機(jī)待機(jī)階段：當(dāng)玻璃在加熱階段的過程中，風(fēng)機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，風(fēng)機(jī)出口的風(fēng)閘關(guān)閉。PLC 輸出模擬量信號(hào)給變頻器，變頻器對(duì)應(yīng)輸出頻率一般為 20Hz，風(fēng)機(jī)待機(jī)維持較低頻率運(yùn)行，以便在需要淬冷時(shí)，風(fēng)機(jī)能及時(shí)加速到淬冷需要的轉(zhuǎn)速。待機(jī)狀態(tài)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速只需額定轉(zhuǎn)速的40%，理論上電機(jī)的軸功率僅為額定功的 0.064 倍，一臺(tái) 315kW 的風(fēng)機(jī)測(cè)得消耗的電能約為 20kW。

（2）淬冷前風(fēng)機(jī)提速階段：當(dāng)受熱軟化好的玻璃即將輸送至吹風(fēng)淬冷區(qū)的前 20 秒左右，按照上位機(jī)的頻率設(shè)定 PLC 輸出相應(yīng)的模擬量值給變頻器，變頻器對(duì)應(yīng)輸出頻率 50Hz 使風(fēng)機(jī)加速到設(shè)定的淬冷轉(zhuǎn)速，這一階段風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)拇龣C(jī)狀態(tài)加速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的 100%，對(duì)于厚度為 5.8－4.0mm的汽車玻璃，這一轉(zhuǎn)速范圍此設(shè)備即可達(dá)到其需要的淬冷風(fēng)量和風(fēng)壓要求。 

（3）玻璃淬冷鋼化階段：受熱完成后的高溫玻璃快速輸送到吹風(fēng)淬冷區(qū)后，風(fēng)閘迅速拉開，強(qiáng)大流量的氣流經(jīng)風(fēng)管進(jìn)入風(fēng)柵，均勻地吹在玻璃上下表面，使玻璃極速淬冷，達(dá)到鋼化的目的。

（4）風(fēng)機(jī)降速至待機(jī)狀態(tài)：在設(shè)定時(shí)間內(nèi)將變頻器從 50Hz 減速到 20Hz 待速運(yùn)行，重復(fù)以上工藝。

二段速度控制的特點(diǎn)是控制方式簡(jiǎn)單，對(duì)變頻器要求不高。

4.2 轉(zhuǎn)速追蹤方案 

“轉(zhuǎn)速追蹤再啟動(dòng)（也稱飛車啟動(dòng)）”的功能即對(duì)旋轉(zhuǎn)中的電機(jī)實(shí)施再啟動(dòng)，是高性能變頻器的優(yōu)異特點(diǎn)之一。在變頻器的應(yīng)用中，有許多場(chǎng)合和設(shè)備如機(jī)械慣性比較小的風(fēng)機(jī)、大慣量的飛輪、鋼廠用的冷鋸等都要用到，這類設(shè)備一般停止的方式為自由停車，如果要再次啟動(dòng)必須等待4~6 分鐘或更久，等風(fēng)機(jī)或飛輪停止后才可啟動(dòng)，而采用速度追蹤的功能，不需要等到設(shè)備停止可馬上執(zhí)行運(yùn)轉(zhuǎn)啟動(dòng)設(shè)備。

5、轉(zhuǎn)速追蹤功能及應(yīng)用 

普傳科技研發(fā)生產(chǎn)的 PI500 系列變頻器具有優(yōu)異的控制算法和豐富的應(yīng)用功能，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備對(duì)啟動(dòng)快速響應(yīng)、轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動(dòng)等工藝要求，在鋼化爐（常規(guī)、防火爐）多年的實(shí)踐，受到用戶好評(píng)。淬冷離心風(fēng)機(jī)由 PI500 系列變頻器供電和調(diào)速控制。AI1、AI12 和 COM 為模擬量輸入端口，接受來自 PLC 的 4-20mA（0-10V）模擬量電流信號(hào)，用來控制變頻器的輸出頻率。

5.1 產(chǎn)品具有以下特點(diǎn) 

? 優(yōu)異的過載能力：150%額定輸出電流 1 分鐘，180%額定輸出電流 2 秒，可縮短加速時(shí)間，提升效率； 

? 優(yōu)異的負(fù)載突變應(yīng)對(duì)能力：玻璃鋼化爐風(fēng)機(jī)在風(fēng)門開啟瞬間，突加減負(fù)載時(shí)，變頻器能夠輕松應(yīng)對(duì)，保護(hù)玻璃鋼化爐穩(wěn)定運(yùn)行。 

? 同步轉(zhuǎn)速追蹤：不依賴硬件資源，快速檢測(cè)并追蹤上正在旋轉(zhuǎn)的電機(jī)速度和方向； 

? 節(jié)能降本：綜合節(jié)電率 10%以上； 

? 專用玻璃風(fēng)機(jī)控制軟件和外置 485 通訊卡，更適合系統(tǒng)應(yīng)用，電磁兼容性好 

? 寬電壓控制：輸入電壓 323-480V 區(qū)間可正常工作，不影響設(shè)備運(yùn)行； 

? 高速直流風(fēng)扇設(shè)計(jì)：高速直流散熱風(fēng)扇，不會(huì)因電網(wǎng)電壓低影響變頻器散熱效果，從而影響長(zhǎng)時(shí)間工作運(yùn)行。 

5.2 轉(zhuǎn)速追蹤功能與設(shè)置 

下表為 PI500 變頻器使用說明書關(guān)于轉(zhuǎn)速追蹤功能參數(shù)的設(shè)置和說明。

5.3 應(yīng)用特點(diǎn)和效果 

普傳變頻器轉(zhuǎn)速追蹤功能精準(zhǔn)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，追蹤起動(dòng)非常平穩(wěn)，追蹤起動(dòng)電流小。利用變頻器優(yōu)異的轉(zhuǎn)速追蹤功能可很好地滿足冷卻風(fēng)機(jī)控制的工藝要求，節(jié)能效果比其它產(chǎn)品常用的二段速控制更好。速度功率時(shí)間曲線見下圖：

如圖所示，紅色曲線是普傳科技變頻器的速度及能量消耗曲線，降速時(shí)（t1-t3）采用“自由停車”方式，此時(shí)變頻器不輸出頻率，由于風(fēng)機(jī)的大慣性特性，風(fēng)機(jī)降速很慢，此時(shí)電機(jī)完全無能量消耗，下一次急冷前（t3-t4）追蹤起動(dòng)，此時(shí)起動(dòng)的轉(zhuǎn)速高，起動(dòng)時(shí)間短，能很好地滿足急冷工藝要求。

二段速控制時(shí)，在急冷完成后，變頻器需要克服風(fēng)機(jī)的大慣性降至待機(jī)頻率（t1-t2），此時(shí)電機(jī)需要消耗能量，待機(jī)運(yùn)行時(shí)（t2-t3）也消耗能量。另外下一次急冷時(shí)又需要從較低的頻率加速至急

冷頻率，如果變頻器性能不好，會(huì)提高加速時(shí)間，耗費(fèi)更多電能。

在上圖中 t5和 t4 的差值是普傳科技變頻器與其他變頻器在加工時(shí)間上的減少量，陰影部分是其

他變頻器與普傳變頻器在能量消耗上多出來的部分。

本項(xiàng)目配置，冷卻大風(fēng)機(jī) 1 臺(tái) 315kW，1 臺(tái) 90kW。配置相應(yīng)的 PI500 系列變頻器。

實(shí)踐證明，采用轉(zhuǎn)速追蹤再啟動(dòng)方式比二段速度方式控制風(fēng)機(jī)節(jié)能效果 10%以上。 

2020年5月1日正式實(shí)施的國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)《玻璃和鑄石單位產(chǎn)品能源消耗限額》GB21340-2019，對(duì)鋼化玻璃單位能耗限額進(jìn)行了規(guī)定，能耗限額等級(jí)分為1級(jí)2級(jí)和3級(jí)三個(gè)等級(jí)，其中1級(jí)能耗最低，等級(jí)限定值應(yīng)不大于表中對(duì)應(yīng)的數(shù)值。 

以下為某玻璃機(jī)械公司的LOW-E玻璃鋼化爐參數(shù)：

如6024型鋼化爐變壓器容量為1000KW玻璃鋼化爐高配置，爐體增加溫度采集模塊，使加熱更均勻，受熱更合理。風(fēng)柵冷卻部分對(duì)風(fēng)柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體優(yōu)化。再通過控制系統(tǒng)，使風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，頻率做到平衡，故而使用較小的風(fēng)機(jī)既可以滿足玻璃的鋼化效果，降低自爆率的同時(shí)減少運(yùn)行費(fèi)用，真正做到了節(jié)能減排！